Sergio Giacomo Carrara, Trento- Novembre 2012 Scaricatori OVR di Bassa Tensione. ABB Group November 30, 2012 Slide 1

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1 Sergio Giacomo Carrara, Trento- Novembre 2012 Scaricatori OVR di Bassa Tensione November 30, 2012 Slide 1

2 ABB Francia: FRESO Soulé Dal 1870 Fabbrica in Bagnères de Bigorre ~80 dipendenti Bagnères de Bigorre November 30, 2012 Slide 2

3 Effetti derivanti dai fulmini- Edifici November 30, 2012 Slide 3

4 Effetti derivanti dai fulmini- Edifici TV Electronic cards Coffee maker November 30, 2012 Slide 4 Socket outlet Electrical wires

5 Effetti derivanti dai fulmini- Strutture November 30, 2012 Slide 5

6 Effetti derivanti dai fulmini- Piante November 30, 2012 Slide 6

7 Agenda Rischio di danno di una struttura: rischio tollerabile, componenti di rischio, perdite (CEI 81/10-IEC 62305) November 30, 2012 Slide 8

8 Il Fulmine come Sorgente S di un danno: 4 sorgenti: S1 e S3 dirette, S2 e S4 indirette Punto di caduta Struttura o Servizio Punto di caduta Struttura o Servizio Struttura (S1): Resistivo Induttivo A terra vicino alla struttura (S2): Induttivo Servizio (S3): Resistivo A terra vicino al servizio (S4): Induttivo November 30, 2012 Slide 9

9 Il Fulmine come Sorgente S di un danno: 4 sorgenti: S1 e S3 dirette, S2 e S4 indirette S1-S3 dirette Fulmine diretto sull edificio Fulmine sulle linee aeree November 30, 2012 Slide 10

10 Il Fulmine come Sorgente S di un danno: 4 sorgenti: S1 e S3 dirette, S2 e S4 indirette S2-S4 indirette + switching operations November 30, 2012 Slide 11 Dispositivi capacitivi e induttivi che aprono /chiudono un circuito Fusibili o interruttori quando lavorano elettronica di potenza

11 I tipi di danno Il fulmine può produrre tre tipi di danno: D1 - danni ad esseri viventi: dovuti a tensioni di contatto e di passo D2 - danni fisici: dovuti a incendi, esplosioni, rotture meccaniche, rilascio di sostanze tossiche, ecc. D3 - avarie di apparecchiature elettriche ed elettroniche: dovute a sovratensioni November 30, 2012 Slide 12

12 Perdite (L) e rischi (R): L sono correlati Uno stesso danno può produrre più tipi di perdite: L1: perdita vite umane Rischio R1 (CEI 64-8) L2: perdita servizio pubblico Rischio R2 L3: perdita patrimonio culturale Rischio R3 L4: perdita economica Rischio R4 (CEI 64-8) November 30, 2012 Slide 13

13 Necessità della protezione La protezione è necessaria quando R >R Tollerabile Soltanto per i rischi R 1, R 2 e R 3 R T = 10-5 per il rischio R 1 (CEI 64-8) R T = 10-3 per il rischio R 2 R T = 10-4 per il rischio R 3 Rischio R 4 rapporto costi/benefici (CEI 64-8) November 30, 2012 Slide 14

14 Componenti di rischio e tipologia S1 S2 S3 S4 R A ( Persone) R M ( Apparati) R U ( Persone) R Z ( Apparati) R B ( Materiali) R V ( Materiali) R C ( Apparati) R W ( Apparati) R1: Perdita di vite umane = R A + R B + R U + R V + R C + R W + R M + R Z ( Ospedali, Esplosione) R2: Perdita di servizio pubblico = R B + R C + R V + R W + R M + R Z R3: Perdita di beni culturali = R B + R V R4: Perdita economica = (R A ) + R B + R C + R V + R W + R M + R Z November 30, 2012 Slide 15

15 Informazioni sui servizi (da proteggere) November 30, 2012 Slide 19 Linee di energia BT: Aree urbane e suburbane: Cavi interrati privi di schermo. Lunghezza 400 m in area suburbana e 100 m in area urbana Aree rurali: Cavi aerei privi di schermo. Lunghezza 1000 m Linee di telecomunicazione Aree urbane e suburbane: Cavi interrati muniti di schermo (con un minimo di 20 conduttori, una resistenza di schermo pari a 5 /km, un diametro del conduttore in rame di 0,6 mm). Lunghezza 1000 m Aree rurali: Cavi aerei privi di schermo (diametro del conduttore in rame: 1 mm). Lunghezza 1000 m. Linea di energia MT Aree urbane e suburbane: cavi interrati muniti di schermo aventi una resistenza specifica dello schermo nell ordine da 1 /km a 5 /km. Lunghezza 400 m Aree rurali: cavi aerei non schermati. Lunghezza 5 km

16 Agenda Protezione di apparecchiature: principali caratteristiche degli SPD per la protezione delle apparecchiature, scelta e dimensionamento SPD November 30, 2012 Slide 21

17 Coordinamento degli isolamenti in impianti elettrici BT Pubblicazione IEC Impiego principale degli OVR di bassa tensione November 30, 2012 Slide 22

18 Rischi di sovratensioni: Percorso del fulmine Fulmine diretto sul parafulmine Fulmine indiretto a terra Sovratensioni sulla linea telefonica Sovratensioni sulla linea di alimentazione November 30, 2012 Slide 23

19 Rischi di sovratensioni: Percorso del fulmine Palazzo Uffici Computer rooms November 30, 2012 Slide 24 Electrical cabinet Server center

20 Rischi di sovratensioni: Percorso del fulmine Appartamento TV Computer November 30, 2012 Slide 25 Electrical cabinet Electrical goods

21 Scaricatori OVR November 30, 2012 Slide 26

22 OVR : Quale tipo? 100% Percentuale dei fulmini in base all'ampiezza 80% 60% 40% 20% 0% 40% dei fulmini sono più ampi di 20kA (o 60% dei fulmini sono meno ampi di 20kA) 5 % dei fulmini sono più ampi di 60kA (o 95% dei fulmini sono meno ampi di 60kA) 0.1 % dei fulmini sono più ampi di 200kA Ampiezza della scarica de fulmine (ka) Data from Meteorage. Measurement campaign on 5.4Million strokes between in France November 30, 2012 Slide 27

23 OVR : Quale tipo? Fulminazione diretta Tipo 1 Suddivisione della corrente del fulmine November 30, 2012 Slide 28

24 OVR : Quale tipo? 200kA «livello I come da IEC » Al MDB 50 ka «Si assume in prima Z1 approsimazione che metà della corrente del fulmine vada a terra». 100 ka 50 ka «e che Z2 = Z1», I (MDB) = 100/m = 100/2 = 50 m: numero di linee elettriche a parti esterne collegate al nodo equipotenziale. November 30, 2012 Slide 29 Alle tubazioni dell acqua Z2

25 OVR : Quale tipo? Iimp / phase > 12,5 ka 12,5 ka 12,5 ka 12,5 ka 12,5 ka «L1, L2, L3 e PEN hanno la stessa impedenza» Iimp/ph=50/n=50/4= 12,5 n : numero di conduttori per linea elettrica. In sistemi TN-C 50 ka November 30, 2012 Slide 30

26 OVR : Quale tipo? Fulmini indiretti sul terreno Tipo 2 Sovratensioni sulla linea di alimentazione November 30, 2012 Slide 31

27 OVR : Quale tipo? VALORE in ka 10/350 8/20 TEMPO in us 10/350 energia >> 8/20 energia November 30, 2012 Slide 32 OVR TIPO 1 OVR TIPO 2

28 Perchè un OVR? Sovratensione data da un fulmine o da una commutazione : da 500 V fino a V Protetto Unprotected November 30, 2012 Slide 33

29 Protezione di apparecchiature mediante SPD S1, S2, S3 e S4 causano le sovratensioni all ingresso delle apparecchiature Protezione mediante SPD Sistema di SPD -> gruppo di SPD adeguatamente scelto, coordinato ed installato Con sorgenti S1 e S3, lo SPD1 è la prima protezione a cui fa seguito, se necessario, il secondo SPD2. Con Sorgenti S2 e S4 lo SPD2 scatta prima dello SPD1 essendo più sensibile. SPD1 SPD2 November 30, 2012 Slide 34

30 Attenzione che Lightning surge 8000V during 140µs 230V 50 Hz 460V during 10s TOV Switching surge Rms Voltage: 230V Sovratensioni transitorie ( s) Zona di lavoro dello OVR Sovratensioni temporanee (> 200 ms) Nemici dello OVR November 30, 2012 Slide 35

31 Parametri degli OVR Corrente Impulsiva Iimp Corrente del fulmine 10/350 s che lo OVR è capace di scaricare per almeno 20 volte senza distruggersi. (25 ka per polo). Corrente nominale di scarica In Corrente 8/20 s che lo OVR è capace di scaricare per almeno 20 volte senza distruggersi (tanto più alta è In tanto è più lunga la vita dello OVR). Massima corrente di scarica Imax Corrente 8/20 s che lo OVR è capace di scaricare almeno una volta (tanto più alta è Imax e lontana da In, tanto più lo OVR lavora in condizioni di sicurezza). November 30, 2012 Slide 37

32 Parametri degli OVR Tensione nominale Un NOTE Uw = 2500V Up = 1400V Uc = 275V Un = 230V Up deve essere sempre inferiore della tensione d impulso Uw del carico da proteggere (es. inverter). Meglio Uprot (v. dopo).!!!!!!!!! PE V c.a. Tensione nominale dell impianto verso terra. Massima tensione continuativa di esercizio Uc Massima tensione verso terra che lo OVR sopporta permanentemente senza intervenire. Sovra-tensione temporanea UTOV Massima tensione verso terra che lo OVR sopporta per 5 s senza intervenire. Livello di protezione Up Massima tensione ai morsetti dello OVR durante il funzionamento quando avviene la scarica. Tensione residua Ures Tensione (valore di picco) durante la scarica ai morsetti dello OVR. November 30, 2012 Slide 38

33 OVR Tipo 1 (Spinterometro) A commutazione o ad innesco: due elettrodi separati da un gas isolante November 30, 2012 Slide 39

34 OVR Tipo 1 OVR T1 3N TS Class/Type Poles Current Iimp Voltage Uc Signalling contact Gamma Multi-polo per tutti i sistemi di distribuzione Polo singolo per configurazioni libere Tecnologia spark-gap November 30, 2012 Slide 40

35 OVR Tipo 1 In sistemi TN-C 3 Poli TN-C (3Ph) OVR T1 3L OVR T1 3L TS I imp = 25 ka/ fase ( > 2 x Iimp standard per soddisfare il mercato) U p (L-N) = 2.5 kv I fi = 50 ka (I following) November 30, 2012 Slide 41

36 OVR Tipo 1 In TN-S Network 4 Poli per TNS (3Ph+N) OVR T1 4L OVR T1 4L TS I imp = 25 ka/ fase U p (L-N) = 2.5 kv I fi = 50 ka (I following) November 30, 2012 Slide 42

37 OVR Tipo 1 In sistemi TT 4 Poli per TT (3Ph+N) OVR T1 3N OVR T1 3N TS November 30, 2012 Slide 43 I imp = 25 ka/ fase I imp (N-PE) = 100 ka U p (L-N) = 2.5 kv / U p (N-PE) = 1.5 kv I fi = 50 ka I following)

38 OVR Type 2 OVR T2 3N s P TS Classe/Tipo Poli Corrente Imax Tensione Uc Riserva di funzionamento Cartucce estraibili Contatto di segnalazione Gamma Multi-polo per tutti I sistemi di disatribuzione Polo singolo moduli per configurazioni libere OVR Tipo 2: Imax,In November 30, 2012 Slide 44 Ng = ligthtning density

39 OVR Tipo 2 (Varistore) Impedenza non lineare a «U», molto alta quando non c è sovratensione. Al contrario in presenza di una sovratensione. Attenzione: c è sempre corrente! (Ic) November 30, 2012 Slide 45

40 Installazione November 30, 2012 Slide 46

41 Installazione November 30, 2012 Slide 47

42 Installazione Quadro principale: Tipo 1 (10/350µs) Quadro distribuzione: Tipo 2 (8/20µs) November 30, 2012 Slide 48

43 Installazione Se SPD è installato a valle di un interruttore differenziale, questi potrebbe intervenire intempestivamente sentendo l effetto dello scaricatore sul PE. Il problema si potrebbe risolvere con l uso di differenziali tipo S (selettivi). Se SPD è installato a monte di un interruttore differenziale, questi ora non interveniene intempestivamente. Però se SPD si danneggia e chiude in corto circuito il conduttore di fase o di neutro con il PE dopo la scarica non si ripristina l isolamento verso terra con conseguente innalzamento della tensione delle masse. Il problema si risolve con un SPD tipo spark-gap. November 30, 2012 Slide 49

44 Sistemi di distrubuzione (TN ed IT) Connessione di tipo A Tutti e quattro i sistemi di distribuzione possono essere soggetti ad un guasto FASE-TERRA ( NEUTRO-TERRA solo se N è distribuito in IT). In applicazioni industriali, o civili dove il N ha lo stesso percorso della fase, il rischio di una sovratensione è solo tra la fase ed la terra. MODO Comune. November 30, 2012 Slide 51

45 Sistemi di distribuzione (TT) In applicazioni civili-domestiche con TT o TN-S dove N non ha lo stesso percorso della fase, il rischio di una sovra-tensione può essere anche tra fase e neutro e neutro con PE. MODO DIFFERENTZIALE November 30, 2012 Slide 52

46 SPD su Sistema TT Connessione di tipo B (differenziale tipo S a monte scaricatore) Gli interruttori differenziali per installazioni domestiche e similari (CEI EN e CEI EN ) sono provati con una corrente impulsiva 8/20 s di ampiezza 3 ka November 30, 2012 Slide 53 Il tipo S protegge, se coordinato con impianto di terra, da contatti indiretti, ma non contro quelli diretti sulle prese in cui è obbligatorio l uso dei 30 ma.

47 SPD su Sistema TT Connessione di tipo C November 30, 2012 Slide 54 Maggior continuità di servizio rispetto la soluzione B in caso che lo OVR disperda in modo anomalo e più sicurezza per le persone che toccano il carico.

48 Sistemi di distribuzione In caso di dubbio sono disponibili configurazioni combinate. COMUNE e DIFFERENZIALE November 30, 2012 Slide 55

49 Livello di protezione effettivo U p/f SPD con intervento a limitazione U p(f) U p U 1 U ' 1 SPD con intervento ad innesco: Valore maggiore tra U = 1 kv/m per I imp : SPD origine dell impianto November 30, 2012 Slide 56 U trascurabile negli altri casi

50 Caratteristiche di SPD per la protezione di apparecchiature November 30, 2012 Slide 57

51 Distanza e Protezione L1 SPD L2 Apparecchio da proteggere In quest caso L = L1 + L2 L3 non influenza la sicurezza del carico L3 Nodo In questo caso L = L1 + L2 + L3 Se L3 è lungo qualche metro, la protezione del carico non è assicurata. November 30, 2012 Slide 58

52 Distanza e protezione L1 UL1 SPD Up L2 UL2 Lunghezza La tensione reale che che lo OVR lascia passare è la somma di tre tensioni. Ricorda : 1 m di cavo genera 1kV!!!!!!! L1 e L2 devono essere le più corte possibili!!!!!! November 30, 2012 Slide 59

53 Livello di protezione effettivo U p/f a) U p/f (U w )/2 U w tensione di tenuta a impulso dell apparecchiatura se la lunghezza del circuito è > 10 m (caso tipico di SPD installati all ingresso della linea nella struttura o, in alcuni casi, nei quadri secondari di distribuzione) si genera l effetto della riflessione. b) U p/f 0.8 U w se la lunghezza del circuito è poco 10 m (caso tipico di SPD installati nei quadri secondari di distribuzione o nelle prese) Quando il guasto può causare perdita di vite umane o perdita di pubblico servizio deve essere considerato il raddoppio delle sovratensioni dovute alle oscillazioni e deve essere soddisfatto il criterio: U p/f U w /2 c) U p/f U w se la lunghezza del circuito tra SPD ed apparato è trascurabile (caso tipico di SPD installato ai morsetti dell apparato) ovvero molto di 10 m. November 30, 2012 Slide 60

54 SPD nei sottoqudri: Per piccoli impianti con Icc 7kA Installation type SPD Solution Photo TN-C 3 x OVR T TN-S 4 x OVR T TT OVR T1 3N TT solution I imp = 25 ka/ phase I imp (N-PE) = 100 ka U p (L-N) = 2.5 kv U p (N-PE) = 1.5 kv I fi = 7 ka Stessi dati tecnici, ma con Ifi = 7kA November 30, 2012 Slide 63

55 SPD in sottoquadri Tipo 2 Installation type SPD Solution Photo SPD in SDB TT, TN-C-S, TN-S 3Ph + N 1Ph + N OVR T2 3N (s) P (TS) OVR T2 1N (s) P (TS) 3Ph+N SPD in 2 nd SDB TT, TN-C-S, TN-S 3Ph + N 1Ph + N OVR T2 3N 15/ (P) OVR T2 1N 15/ P 1Ph+N November 30, 2012 Slide 64

56 SPD nei sottoquadri Tipe 2 autoprotetti Installation type SPD Solution Photo SPD in SDB TT, TN-C-S, TN-S 1Ph + N OVR Plus N1 40 SPD in 2 nd SDB TT, TN-C-S, TN-S 1Ph + N OVR Plus 1N November 30, 2012 Slide 65

57 Protezione complessiva November 30, 2012 Slide 66

58 Protezione di Back-up Tipo 2 : Varistori Puri (semiconduttori). Normalmente non è necessario un back-up, ma quando invecchiano non sono più un circuito aperto e lasciano passare una corrente verso terra anche se non in funzione. In condizioni standard 1 ma è il valore normale, quindi a monte un differenziale è necessario per pervenire surriscaldamenti, ben sapendo che l OVR verrà poi sostituito in caso di scatto frequente della protezione. Tipo 1 : Tecnologia spark-gap. Durante la scarica è necessaria la protezione di back-up quando Icc (dalla rete ac) è > di In. November 30, 2012 Slide 67

59 SPD per linee telecom OVR TC Sovratensioni sulla linea telecom November 30, 2012 Slide 68

60 SPD per linee telecom OVR TC Designation Imax (8/20) OVR TC Uc Up Application OVR TC 200 FR P 10kA 220V 300V STN (analog line) OVR TC 48 V P 10kA 53V 70V ISDN (S0 and T0) (digital line) OVR TC 06 V P 10kA 7V 15V ISDN (S2 and T2) (digital line) November 30, 2012 Slide 69

61 OVR per applicazioni fotovoltaiche: 4 zone da proteggere: Impianto Lato DC: zone A, B Lato AC: zone C, D Parafulmine Linea aerea Quadro di campo Inverter C Punto di consegna Quadro di campo Inverter Quadro di campo Inverter November 30, 2012 Slide 70

62 Selezione OVR PV OVR PV P TS Fotovoltaico Corrente Imax Tensione Uc Cartucce estraibili Contatto di segnalazione Gamma OVR PV Tensione massima stringa Uc Tensione nominale Un Corrente di scarica nominale In Corrente di scarica massima Imax [V c.c.] [V c.c.] [ka] [ka] [kv] Livello di protezione L-L/L-PE Contatto remoto TS Tipo Codice 700 V 1120 V ,8/1,4 - OVR PV P M ,8/1,4 si OVR PV P TS M ,8 - OVR PV P M ,8 si OVR PV P TS M November 30, 2012 Slide 71

63 OVR per applicazioni fotovoltaiche: 4 zone da proteggere: Zona A Quadro di stringa, protezione contro fulmini OVR da mettere se la distanza A-B è superiore ai 10 m Back-up fuses only if Icc > 100A c.c. Voltage string Contatto remoto OVR Tipo Codice Protezione di back-up Fuse holder Tipo Codice 700 V 1120 V - OVR PV P M /16A gr E 92/32 PV M NA/NC OVR PV P TS M /16A gr E 92/32 PV M OVR PV P M /16A gr E 92/32 PV M NA/NC OVR PV P TS M /16A gr E 92/32 PV M November 30, 2012 Slide 72

64 OVR per applicazioni fotovoltaiche: 4 zone da proteggere: Zona B Lato DC inverter dc, protezione contro fulmini OVR da mettere sempre Back-up fuses only if Icc >100A c.c. Voltage string Contatto remoto OVR Tipo Codice Protezione di back-up Fuse holder Tipo Codice 700 V 1120 V - OVR PV P M /16A gr E 92/32 PV M NA/NC OVR PV P TS M /16A gr E 92/32 PV M OVR PV P M /16A gr E 92/32 PV M NA/NC OVR PV P TS M /16A gr E 92/32 PV M November 30, 2012 Slide 73

65 Documentazione: November 30, 2012 Slide 74

66 Documentazione: November 30, 2012 Slide 75

67 November 30, 2012 Slide 76